Теория расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетичес.-1

няя конфигурацию системы скачков на входе СВЗ и уменьшая Fн, следовательно, уменьшая расход Мв0. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не восстановится баланс расходов через вход в СВЗ и горло (Мв0 = Мв.г), тогда ГВ остановится.

При уменьшении числа М уменьшается рвх , следова-

тельно, уменьшается расход воздуха через двигатель Мдв. Одновременно при уменьшении М увеличивается при-

веденная частота вращения ротора из-за падения полной температуры Твх на входе в ОК(↑ nпр ~ n ↓Твх ). Увеличи-

вается πк , что оказывает сдерживающее действие на снижение расхода воздуха через двигатель и вызывает нарушение баланса расходов: ↓↓ МСВЗ <↓ Мдв . Уменьшается давление

рвх, растет перепад давлений между горлом и входом в ОК, S-скачок смещается к входу в двигатель и его интенсивность возрастает (см. рис. 6.10).

Режим работы СВЗ остается закритическим. СВЗ устойчиво работает на данном нерасчетном режиме, но при этом возрастает внешнее сопротивление сх.вн, и уменьшается расход воздуха через СВЗ и двигатель, следовательно, снижается тяга двигателя. При дальнейшем уменьшении М полета может начаться неустойчивый режим работы СВЗ – «зуд».

Для получения «запаса по горлу» площадь горла рассчитывают на М < Мр. Из-за перерасширения горла скорость в нем при Мр – сверхзвуковая, что ведет к уменьшению σвх

на расчетном режиме.

Если при n = nр увеличивается М > Мр, уменьшаются углы наклона косых скачков α. Косые скачки входят внутрь канала СВЗ (рис. 6.11), где возникает сложная система отраженных скачков. При этом φвх = 1, так как Мн = М0. Из-за по-

162

терь в отраженных скачках и трения сверхзвукового потока о стенки канала СВЗ уменьшается σвх .

Рис. 6.11. Работа СВЗ при М > Мр

В горле устанавливается сверхзвуковое течение, что приводит к увеличению расхода воздуха через горло Мв.г =↑сгρгFг , то есть горло перерасширено (Fг > Fг.опт). Торможение за горлом осуществляется в интенсивном S-скачке.

При увеличении числа М увеличивается рвх , следова-

тельно, увеличивается расход воздуха через двигатель. Одновременно при увеличении М уменьшается приве-

денная частота вращения ротора из-за роста полной температуры Твх на входе в ОК (↓ nпр ~ n ↑Твх ). Уменьшается πк ,

что оказывает сдерживающее действие на рост расхода воздуха через двигатель и вызывает нарушение баланса: ↑↑ МСВЗ >↑ Мдв . Увеличивается давление рвх, снижается

перепад давлений между горлом и входом в ОК, S-скачок смещается к горлу и его интенсивность снижается. При дальнейшем росте числа М полета S-скачок минует горло и превращается в прямой скачок на входе СВЗ.

Давление рвх «выдавливает» замыкающий прямой скачок. Перед входом в СВЗ образуется выбитая головная волна, которая движется от передней кромки обечайки, изменяя конфигурацию системы скачков на входе в СВЗ. В результате

163

уменьшения Fн ↓ϕвх уменьшается расход воздуха через

СВЗ. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не восстановится баланс расходов (МСВЗ = Мдв).

Режим работы СВЗ становится докритическим, но он устойчиво работает на данном нерасчетном режиме при увели-

ченных потерях полного давления (↓σвх ) и увеличенном внешнем сопротивлении (↑ cх.вн ).

Если М полета продолжает расти может начаться неустойчивый режим работы СВЗ «помпаж».

6.4.5. Неустойчивые режимы работы СВЗ

Значительные отличия параметров полета и режима работы двигателя от расчетных значений могут привести к неустойчивой работе СВЗ в виде низкочастотных («помпаж») или высокочастотных («зуд») автоколебаний расхода воздуха

Мв.вх и давления рвх.

«Зуд» – неустойчивый процесс течения в канале СВЗ, проявляющийся в виде высокочастотных пульсаций расхода и давления в потоке, с частотой в сотни герц и амплитудой (∆рвх/рвх) = 0,05…0,08. «Зуд» может возникнуть при значительном увеличении n > np или уменьшении М << Мр, когда расход воздуха через двигатель становится значительно

больше расхода через СВЗ (Мдв >> МСВЗ). Это приводит к резкому снижению давления рвх и значительному увеличе-

нию перепада давлений рг/рвх.

Поток за горлом разгоняется до больших сверхзвуковых скоростей, S-скачок смещается к входу в ОК, и его интенсивность возрастает.

Взаимодействие интенсивного S-скачка с «толстым» пограничным слоем в канале приводит к «вспуханию» и отрыву ПС от стенок. В результате уменьшается скорость за

S-скачком cвх ↑ рвх ↓( рг ↑ рвх ). S-скачок смещается

164

к горлу и его интенсивность уменьшается. Отрыв ПС от сте-

к входу в ОК, и цикл повторяется.

Для устранения «зуда» необходимо либо уменьшить частоту вращения ротора двигателя n, либо увеличить М полета, либо регулировать СВЗ.

«Помпаж» – это неустойчивый процесс течения в СВЗ, проявляющийся в виде низкочастотных колебаний давления и расхода воздуха с частотой 5…15 Гц и амплиту-

дой ∆рвх/рвх = 0,3…0,5.

«Помпаж» может возникнуть при значительном уменьшении n << np или значительном увеличении M >> Mp, когда расход воздуха через двигатель становится существенно

меньше расхода через СВЗ (Мдв << МСВЗ).

В этом случае резко возрастает давление рвх, значительно уменьшается перепад давлений рг /рвх, S-скачок смещается к горлу, минует его и исчезает (сверхзвуковая зона ликвидируется). СВЗ переходит в «докритический» режим работы. Повышенное давление рвх, перемещаясь со скоростью звука навстречу дозвуковому потоку, воздействует на систему скачков на входе СВЗ.

Замыкающий прямой скачок отходит от плоскости входа и преобразуется в выбитую головную волну (рис. 6.12).

Рис. 6.12. Работа СВЗ при «помпаже»

165

В результате уменьшается Fн < F0 ↓ϕвх <1, что при-

водит к снижению расхода воздуха через СВЗ МСВЗ. При дальнейшем росте рвх ГВ движется, удаляясь от входа в СВЗ, и, перемещаясь навстречу потоку, частично разрушает систему косых скачков. Поток разделяется на струи, которые тормозятся в различных системах скачков, то есть с различной интенсивностью и различным ∑ σск . Внешние (по отно-

шению к поверхности сжатия) струи тормозятся интенсивней (с большими потерями полного давления), и давление в них уменьшается больше, чем во внутренних струях. Через эту область пониженного давления за ГВ часть воздуха из более высоконапорных внутренних струй выбрасывается из СВЗ через образовавшуюся щель между ГВ и передней кромкой обечайки (см. рис. 6.12). Это приводит к резкому снижению рвх, выбитая УВ приближается к входу в СВЗ и превращается в замыкающий прямой скачок. Восстанавливается сверхзвуковая зона за горлом. Так как дисбаланс расходов МСВЗ >> Мдв не устранен, то начинает расти давление рвх и цикл повторяется.

Интенсивный «помпаж» может привести к остановке двигателя или разрушению элементов компрессора. Несимметричный «помпаж» боковых СВЗ может привести к скольжению ЛА с кренением и вращением. Для устранения «помпажа» необходимо либо увеличить n двигателя, либо уменьшить М полета, либо регулировать СВЗ.

6.4.6. Скоростные характеристики СВЗ

Скоростные характеристики (СХ) СВЗ – это зависимости параметров эффективности СВЗ ( σвх , φвх, сх.вн) от числа

М полета при n = const (рис. 6.13).

Точка 1 на рис. 6.13 соответствует расчетному режиму

166

между сечением горла и входом в компрессор возрастает, S-скачок движется к входу в ОК, и сверхзвуковая зона за горлом увеличивается.

На участке 1–2 сохраняется замыкающий прямой скачок на входе в СВЗ, так как горло при М = Мр было заведомо «пе-

рерасширено» (Fг.р > Fг.опт). На этом участке из-за отхода косых скачков от входа в СВЗ уменьшается φвх и растут сх.вн

и σвх . Рост σвх происходит из-за уменьшения потерь полно-

го давления вследствие снижения скорости потока на участке от входа в СВЗ до горла.

В точке 2 площадь Fг становится расчетной.

На участке 2–3 на входе в СВЗ появляется выбитая головная волна, ее перемещение от входа в СВЗ способствует дальнейшему снижению φвх и росту сх.вн. Рост σвх , из-за сни-

жения скорости потока в СВЗ, замедляется вследствие увеличения потерь полного давления в более интенсивном S-скачке, который после прохождения точки 2 быстро движется к входу в ОК.

В точке 3 за S-скачком происходит «вспухание» и отрыв ПС от стенок СВЗ и начинается «зуд» СВЗ.

6.4.7. Дроссельные характеристики СВЗ

Дроссельные характеристики (ДХ) СВЗ называются зависимости параметров эффективности СВЗ ( σвх , φвх, сх.вн) от

частоты вращения ротора двигателя n при M = const (рис. 6.14). При n = nкр давление рвх = рг, поэтому S-скачок находится в горле, то есть скорость потока в горле равна скорости

звука, а за горлом – скорость дозвуковая.

При росте n > nкр возрастает πк , следовательно, возрас-

тает Мдв > МСВЗ, при этом уменьшается рвх, увеличивается перепад давлений рг/рвх и поток за горлом разгоняется до сверхзвуковой скорости.

168

в СВЗ сохраняется расчетная система скачков).

При уменьшении n < nкр сверхзвуковая зона в СВЗ пропадает и появляется выбитая головная волна, уменьшается φвх вследствие уменьшения Fн, что приводит к уменьшению расхода МСВЗ. Из-за появления выбитой ГВ внешнее сопро-

тивление СВЗ растет (↑ cх.вн ), так как возрастает диффузор-

ность струи перед входом в СВЗ (↓ϕвх ) .

В результате снижения скорости в канале СВЗ потери полного давления первоначально уменьшаются (↑σвх ) , но,

по мере отхода головной волны от входа в СВЗ, происходит трансформация системы косых скачков и суммарные потери

полного давления начинают расти(↓σвх ) . При nпр = nп начинается «помпаж» СВЗ.

169

6.4.8. Регулирование СВЗ

Задачи регулирования СВЗ:

1.Согласование расходов воздуха через СВЗ с расходом воздуха через двигатель при изменении условий полета (М, Н) и режима работы двигателя (n).

2.Предотвращение неустойчивых режимов работы СВЗ («помпаж», «зуд»).

3.Обеспечение максимальных значений σвх max и мини-

мальных сх.вн min.

4. Обеспечение максимальной эффективной тяги двигателя (R – Хвн) во всем диапазоне условий полета, при достаточном запасе устойчивости ВЗ и ОК.

Воснову регулирования СВЗ положен принцип «под-

страивания» его пропускной способности (МСВЗ) к прокачивающей способности ОК (Мдв).

Пропускная способность СВЗ определяется пропускной

способностью системы скачков на входе в СВЗ (Мв.н) и горла (Мв.г). Следовательно, при регулировании СВЗ необходимо изменять площадь горла Fг и углы наклона скачков α или их положение относительно обечайки СВЗ.

Конструктивно это реализовано для плоских и осесимметричных СВЗ по-разному.

Вплоском СВЗ (рис. 6.15) величину угла наклона скачков изменяют путем изменения наклона второго участка клиновидной поверхности сжатия 1.

Рис. 6.15. Регулирование плоского СВЗ при уменьшении М

170